JP4098084B2 - Titanium / zirconium catalyst and process for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
本発明は新規種類のチタン／ジルコニウム触媒、その製法および本発明による触媒のエステルまたはポリエステルの製造のためのエステル化反応、エステル交換反応および重縮合反応への使用に関する。
【０００２】
ポリエステルは産業上重要なポリマーであり、これは例えば繊維の製造のためにまたはポリウレタン系におけるポリオール成分として長年使用されている（これに関してはG. OertelのPolyurethane Handbook, Hanser Publishers(1994), p 65-72を参照）。ポリエステルの製造は低分子量ポリカルボン酸（例えばアジピン酸）の低分子量ポリアルコール（例えばジエチレングリコール）での直接エステル化により、またはポリカルボン酸アルキルエステルとポリアルコールから出発するエステル交換により行われる。記載されている反応においては、反応器中での滞留時間を短縮するためにおよび高い分子量を構成するために働く触媒を一般に使用する（このためにはR.E. Wilfong in Journal of Polymer Science, Vol. 54 (1961), p 385-410およびA. Fradet, E. Marechal in Advances in Polymer Science 43, Springer Verlag (1982), p 51-142を参照）。多くの商業的方法においては、例えばマンガン塩、亜鉛塩、アンチモン塩またはスズ塩を触媒としてエステル化、エステル交換または重縮合に使用する。いくつかの前記の金属化合物においては、不溶性の錯体を形成する傾向にあり、このことがエステルもしくはポリエステルの加工の際に問題を引き起こすという問題を有する。更に、前記化合物群の生理学的な問題点およびもしくは潜在的な環境破壊作用が、触媒としての使用に対してますます不利に働く。
【０００３】
有機チタン化合物、特にチタンオルトエステル（例えば、チタンテトライソプロピレートおよびチタンテトラ−ｎ−ブチレート）は同様に効果的であり、しばしば使用されるエステル化反応触媒、エステル交換触媒および重縮合触媒（例えばＵＳ−Ａ２８２２３４８）である。しかしながら、これらのチタン触媒の一般的な使用は種々の欠点により制限される。こうして、有機チタン化合物は反応混合物中に不溶性であることがあり（例えば、ポリ（チタンアルキレート））、このことは触媒の不均質な分布に導き、その活性に影響を与える。更に、一定のチタン触媒は加水分解を受けやすく、これにより触媒系の貯蔵安定性は影響を受ける。更に、反応の経過においてポリマーのチタン化合物が生じ、このチタン化合物は混濁した反応生成物に導き、費用のかかる濾過によってのみ精製することができる。更に、チタン化合物は通常エステル化、エステル交換または重縮合の際に同様に生じた痕跡量の不純物（例えばアルデヒド）と反応し、このようにして反応生成物において不所望な黄色の着色が生じる。多成分触媒系の使用により、そのような不所望な着色を妨害することができるということが示された。こうして、例えば米国特許第６０８０８３４号明細書は、溶剤中のチタン化合物、錯形成試薬（例えばヒドロキシカルボン酸）、リン化合物、および場合により他の添加物からなる触媒系を記載している。チタンオルトエステル、アルコール（例えばエチレングリコール）、２−ヒドロキシカルボン酸および塩基（例えば水酸化ナトリウム）からなる触媒の使用はＵＳ−Ａ５８６６７１０中に記載されている。そのような複雑な触媒系の製造は明らかに費用がかかり、従ってエステル化反応、エステル交換反応および重縮合反応におけるその適用は経済的な理由から非常に不利である。更に、エステルもしくはポリエステルの種々の適用（例えばポリウレタン系）への加工は記載された触媒系中の添加物によりマイナスの作用を受けるという危険性を有する。
【０００４】
前記の理由により、できるだけ簡単な組成、エステル化反応、エステル交換反応および／または重縮合反応における高い活性、出発成分中および最終生成物中への充分な溶解性、および良好な加水分解安定性および生理学的安全性により優れている新規触媒に対する要求がある。改善された光学特性を有する反応生成物に（例えば、ポリエステルの不所望な着色の減少）に導くということも同様に所望されている。
【０００５】
意外にも、好適な出発物質の使用において、前記触媒に比べて特に、より簡単で、こうして経済的な組成並びに良好な加水分解安定性により優れている新規種類の触媒を製造することができるということが見いだされた。更に、本発明による触媒は、改善された光学特性、すなわちエステルもしくはポリエステルにおける不所望な着色の軽減、を有する反応生成物を提供する。本発明による触媒のその他の利点（例えば、高い活性、出発物質中もしくは最終生成物中への良好な溶解性、生理学的安全性）も同様に与えられる。
【０００６】
従って、本発明の対象は
ａ）チタンおよび／またはジルコニウムのオルトエステルまたは縮合オルトエステルと
ｂ）少なくとも２個のヒドロキシル基および少なくとも１８０ｇ／モルの数平均分子量を有する１種または複数種のポリアルコール
とを、ポリアルコールｂ）とチタンおよび／またはジルコニウムのオルトエステルまたは縮合オルトエステルａ）とのモル比少なくとも２：１で反応させることにより製造可能な触媒である。
【０００７】
本発明による触媒の製造のためにはチタンまたはジルコニウムのオルトエステルまたは縮合オルトエステルａ）を使用する。有利な実施形においてはオルトエステルは一般式Ｍ（ＯＲ）４を有し、この際Ｍはチタンおよび／またはジルコニウムを表し、Ｒは同一または異なる線状、分枝状または環式のアルキル基を表す。アルキル基Ｒは炭素原子１〜６個を有しているのが有利である。特に有利なオルトエステルはチタンテトライソプロポキシレートおよびチタンテトラ−ｎ−ブトキシレートである。本発明による触媒の製造のための縮合オルトエステルは典型的にはチタン／ジルコニウムオルトエステルの注意深い、部分加水分解により得られ、特に、しかしこれのみではないが、一般式Ｒ１Ｏ［Ｍ（ＯＲ１）２Ｏ］ｎＲ１で表され、この際Ｍはチタンまたはジルコニウムを表し、Ｒ１は同一または異なる線状、分枝状または環式のアルキル基を表し、ｎは＜２０、有利にｎ＜１０を表す。有利には基Ｒ１は炭素原子１〜６個を有する。特に有利な縮合オルトエステルはポリ（チタンイソプロポキシレート）およびポリ（チタンブトキシレート）である。
【０００８】
本発明による触媒の製造のためには、成分ａ）を一種または複数種のポリアルコールｂ）と反応させる。本発明により、少なくとも２個のヒドロキシル基を有しかつ数平均分子量少なくとも１８０ｇ／モルを有する、全てのポリアルコールを使用することができ、特に２〜６個のヒドロキシル基を有し、数平均分子量１８０ｇ／モル〜４５００ｇ／モルを有するポリアルコールを使用することができる。
【０００９】
特に有利な実施形においては、ポリアルコールｂ）はポリエーテルポリオールである。本発明により使用したポリエーテルポリオールは、例えば多官能性出発化合物にアルキレンオキシドを、セシウムヒドロキシド、ルビジウムヒドロキシド、ストロンチウムヒドロキシドまたはバリウムヒドロキシドまたは選択的な塩基性触媒の存在下に重付加することにより製造することができる。本発明により使用したポリエーテルポリオールは高活性ダブル金属シアニド触媒（Doppelmetallcyanidkatalysator）を用いて、活性水素原子を平均２〜８個、有利に２〜６個を有する出発化合物と１個または複数個のアルキレンオキシドとから製造され、この方法は例えばＥＰ−Ａ７６１７０８に記載されている。
【００１０】
有利な出発化合物は分子あたり少なくとも２個のヒドロキシル基を有する分子であり、例えば１,２−エタンジオール、１,２−プロパンジオール、１,３−プロパンジオール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール、１,２−ブタンジオール、１,３−ブタンジオール、１,４−ブタンジオール、１,２−ヘキサンジオール、１,３−ヘキサンジオール、１,４−ヘキサンジオール、１,５−ヘキサンジオール、１,６−ヘキサンジオール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリトリット、ソルビットおよびサッカロースである。その他の有利な出発化合物はアンモニアまたは第１または第２アミノ基を少なくとも１個有する化合物、例えば脂肪族アミン、例えば１,２−ジアミノエタン、１,２−ジアミノエタンのオリゴマー（例えばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンまたはペンタエチレンヘキサミン）、１,３−ジアミノプロパン、１,３−ジアミノブタン、１,４−ジアミノブタン、１,２−ジアミノヘキサン、１,３−ジアミノヘキサン、１,４−ジアミノヘキサン、１,５−ジアミノヘキサン、１,６−ジアミノヘキサン、芳香族アミン、例えば１,２−ジアミノベンゼン、１,３−ジアミノベンゼン、１,４−ジアミノベンゼン、２,３−ジアミノトルエン、２,４−ジアミノトルエン、３,４−ジアミノトルエン、２,５−ジアミノトルエン、２,６−ジアミノトルエン、２,２′−ジアミノジフェニルメタン、２,４′−ジアミノジフェニルメタン、４,４′−ジアミノジフェニルメタンまたはアニリンとホルムアルデヒドとから酸触媒縮合により得られる他の芳香族アミン、または第１、第２または第３アミノ基の他にヒドロキシル基を有する化合物、例えばエタノールアミン、ジエタノールアミンまたはトリエタノールアミンである。出発化合物は単独でまたは混合して使用することができる。
【００１１】
高活性ダブル金属シアニド触媒（Doppelmetallcyanidkatalysator）を用いる反応のために、例えば従来のアルカリ触媒により前記のヒドロキシ官能性低分子出発化合物とアルキレンオキシド、例えばオキシラン、メチルオキシランおよび／またはエチルオキシランとから得ることのできる出発化合物が特に有利である。
【００１２】
本発明により使用するポリエーテルポリオールの製造のために使用するアルキレンオキシドはオキシラン、メチルオキシランおよびエチルオキシランである。これらを単独でまたは混合して使用することができる。混合して使用する際には、アルキレンオキシドをランダムにまたはブロック式に組み込むか、または両方の方法を順次組み込む。
【００１３】
ポリアルコール成分ｂ）としては、芳香族および／または脂肪族ポリカルボン酸および少なくとも２個のヒドロキシル基を有するポリオールとからの１種または複数種のポリエステルポリオールを、それのみでまたは前記のポリエーテルポリオールと混合して使用することもできる。ジカルボン酸の例は、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、フマル酸、マレイン酸、アゼライン酸、グルタル酸、アジピン酸、スベリン酸、セバシン酸、マロン酸およびコハク酸である。純粋なジカルボン酸、並びにこれらからなる任意の混合物を使用することもできる。遊離のジカルボン酸の代わりに、相当するジカルボン酸誘導体、例えば炭素原子１〜４個を有するアルコールのジカルボン酸モノまたはジエステル、を使用することもできる。カルボン酸成分としては、ジカルボン酸無水物、例えば無水フタル酸または無水マレイン酸を使用することもできる。エステル化のためのポリオール成分としては有利に次のものを使用する：エチレングリコール、ジエチレングリコール、テトラエチレングリコール、１,２−プロパンジオール、１,３−プロパンジオール、１,４−ブタンジオール、１,５−ペンタンジオール、１,６−ヘキサンジオール、１,１０−デカンジオール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリトリットまたはこれらの混合物。ラクトン、例えばε−カプロラクトン、またはヒドロキシカルボン酸、例えばω−ヒドロキシカルボン酸からのポリエステルポリオールを使用することもできる。ポリアルコールは、無水フタル酸とジエチレングリコールとの反応および引き続くオキシランとの反応により得られるポリエーテルエステルポリオールを含有していてもよい。
【００１４】
ポリアルコール成分ｂ）は、平均ＯＨ−官能度少なくとも２.０を有するポリオール（例えば、ポリエーテル、ポリエステル）の他に１種または複数種の単官能性アルコールを８０質量％の量まで含有していてよい。
【００１５】
本発明による触媒の製造のためには、チタンまたはジルコニウムのオルトエステルまたは縮合オルトエステルａ）と１種または複数種のポリアルコールｂ）とを反応させ、その際ポリアルコールとチタンおよび／またはジルコニウム化合物とのモル比は、すでに記載したように、少なくとも２：１である。有利にはチタンおよび／またはジルコニウム化合物のモルあたり、ポリアルコール３〜５モルを使用するのが有利である。本発明による触媒は、生じる副生成物（例えばオルトエステルが例えばチタンテトラ−ｎ−ブチレートである場合、１−ブタノール）の除去下に、成分ａ）およびｂ）の混合により製造される。有利な実施形においてはポリアルコールをあらかじめ装入し、オルトエステルもしくは縮合オルトエステルを添加し、かつ引き続き生じた副生成物を温度８０〜２５０℃、有利に１００〜２００℃で、および場合により減圧下に留去する。本発明による触媒は全ての慣用の溶剤、例えばアルコールまたはグリコール中に溶解可能である。有利な溶剤はエチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ブタンジオールおよび／またはヘキサンジオールである。
【００１６】
従って、その他の本発明の対象は本発明による触媒の製法であり、この方法はａ）チタンおよび／またはジルコニウムのオルトエステルまたは縮合オルトエステルとｂ）少なくとも２個のヒドロキシル基および少なくとも１８０ｇ／モルの数平均分子量を有する１種または複数種のポリアルコールとを、ポリアルコールｂ）とチタンおよび／またはジルコニウムのオルトエステルまたは縮合オルトエステルａ）とのモル比少なくとも２：１で反応させることを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明の対象は相応するエステル化反応、エステル交換反応または重縮合反応によるエステルまたはポリエステルの製造のための本発明による触媒の使用に関する。
【００１８】
本発明による触媒を用いる、エステルまたはポリエステルの製造は、すでに記載したように、低分子カルボン酸またはカルボン酸無水物の低分子ポリアルコールでの直接的なエステル化により、またはポリカルボン酸アルキルエステルとポリアルコールとのエステル交換反応により行われる。直接的なエステル化およびエステル交換は同様にヒドロキシカルボン酸から実施することができる。本発明による触媒を用いるエステルまたはポリエステルの製造のための有利な方法は、重縮合反応により行われる。
【００１９】
エステルおよび／またはポリエステルの製造のための低分子ポリカルボン酸の例は、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、フマル酸、マレイン酸、アゼライン酸、グルタル酸、アジピン酸、スベリン酸、セバシン酸、マロン酸およびコハク酸である。純粋なジカルボン酸並びにこれらからの任意の混合物を使用することができる。ジカルボン酸無水物、例えば無水フタル酸または無水マレイン酸も使用することができる。遊離ポリカルボン酸またはカルボン酸無水物の代わりに、相応するジカルボン酸誘導体、例えば炭素原子１〜４個を有するアルコールとのジカルボン酸モノまたはジエステルを使用することもできる。反応の間に生じるアルコールを蒸留により除去するので、通常低い同族体、例えばメチルエステルを使用する。エステルもしくはポリエステルの製造のためのポリアルコール成分としては、有利には以下のものを使用する：エチレングリコール、ジエチレングリコール、テトラエチレングリコール、１,２−プロパンジオール、１,３−プロパンジオール、１,４−ブタンジオール、１,５−ペンタンジオール、１,６−ヘキサンジオール、１,１０−デカンジオール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリトリットまたはこれらの混合物。
【００２０】
本発明による触媒の使用下にエステル化、エステル交換または重縮合によるエステルまたはポリエステルの本発明による製造は反応条件の広い範囲で実施することができる。１００〜３５０℃、特に有利に１５０〜２３０℃の温度範囲で作業するのが有利であり、その際圧力は反応の進行によりそれぞれ０.００１バール〜常圧の間で変化する。製造の際に使用される本発明による触媒の量は、触媒中のチタンまたはジルコニウム含量（Ｔｉ／Ｚｒ）に依存する。通常、金属濃度は反応生成物の全質量に対して０.１ｐｐｍ〜５００ｐｐｍ、有利に１ｐｐｍ〜１２ｐｐｍの範囲である。
【００２１】
アジピン酸およびジエチレングリコールおよびトリメチロールプロパンからなる混合物を使用するポリエステルポリオールの製造が有利である。典型的な非連続的な方法においては、出発物質を反応容器中で２００℃までの温度で加熱し、生じた水を常圧下に留去する。本発明による触媒の添加後（金属１〜１２ｐｐｍ）、圧力を段階的に１５ミリバールに低下させる。反応水を２００℃で酸価≦１.０ｍｇＫＯＨ／ｇになるまで留去する。もちろん、ポリエステルを環状エステルの部分を除去するために、短経路蒸発装置（Kurzwegverdampfer）中で後処理することもできる（２００℃／０.０５ミリバール）。
【００２２】
本発明によるポリエステルはポリウレタンフォーム、特に軟質フォーム、の製造のために使用することができる。更に、本発明によるポリエステルはもちろんその他のＰＵＲ−システム（例えば、注入しうるエラストマー、ファイバー）の製造の際にも使用することができる。
【００２３】
本発明による方法は、特に色品質の優れたエステルまたはポリエステルの新規の効果的製造法を記載する。
【００２４】
選択した例により、本発明の内容を詳細に説明する。
【００２５】
例
実施例においては次の略語を使用する：
【００２６】
【表１】
本発明による触媒の製造
例１
ポリエーテルＰＥＴ１（０.４８ｋｇ；２.２０モル）を蒸留ブリッジを有する反応容器中に満たし、１時間脱水する（１２０℃／１５ミリバール）。引き続き、この容器を１００℃に冷却し、窒素を通気し、０.２３倍モル量（ポリエーテルに対して）のチタンテトラ−ｎ−ブチレート（０.１７ｋｇ；０.５０モル）を添加する。反応混合物から１−ブタノールを蒸留する経過において、温度はゆっくりと１４０℃から２００℃に上昇する。もはや蒸留物が留出しなくなると、温度を１６０℃に下げ、水流ポンプまたはオイルポンプを用いて圧力を段階的に０.５ミリバールまで減少させ、残りの１−ブタノールを反応混合物から除去する。反応を完全にするために、温度を新たに２００℃に上昇させる。Ｔｉ含量５.２３％（触媒の総質量に対して）および粘度７００ｍＰａ・ｓ（２５℃）の淡黄色反応生成物が得られる。
【００２８】
例２
例１に記載した方法と同様にして、ポリエーテルＰＥＴ１をチタンテトラブチレート０.３３倍モル量（ポリエーテルに対して）と反応させる。Ｔｉ含量６.８５％（触媒の総質量に対して）および粘度１８１００ｍＰａ・ｓ（２５℃）の淡黄色の反応生成物が得られる。
【００２９】
例３
例１に記載した方法と同様にして、ポリエーテルＰＥＴ２をチタンテトラブチレート０.２３倍モル量（ポリエーテルに対して）と反応させる。Ｔｉ含量３.８５％（触媒の総質量に対して）および粘度６１００ｍＰａ・ｓ（２５℃）の淡黄色の反応生成物が得られる。
【００３０】
例４
例１に記載した方法と同様にして、ポリエーテルＰＥＴ３およびチタンテトラブチレート０.２５倍モル量（ポリエーテルに対して）と反応させる。Ｔｉ含量３.７８％（触媒の総質量に対して）および粘度３０２００ｍＰａ・ｓ（２５℃）の淡黄色の反応生成物が得られる。
【００３１】
例５
例１に記載した方法と同様にして、平均分子量４４０ｇ／モルを有するポリ（エチレンアジペート）およびチタンテトラブチレート０.２５倍モル量（ポリエステルに対して）と反応させる。Ｔｉ含量２.６６％（触媒の総質量に対して）および粘度９２０ｍＰａ・ｓ（２５℃）の黄色の反応生成物が得られる。
【００３２】
例６
例１に記載した方法と同様にして、ポリエーテルＰＥＴ２とジルコニウムテトラブチレート０.２３倍モル量（ポリエーテルに対して）とを反応させる。Ｚｒ含量７.０９％（触媒の総質量に対して）を有する高粘性の淡黄色の反応生成物が得られる。
【００３３】
本発明による触媒を使用するポリエステルの製造
例７〜１５
例１〜６からの反応生成物をポリエステルの製造のために使用する。チタンテトラ−ｎ−ブチレートもしくはジルコニウムテトラ−ｎ−ブチレート（本発明によらない比較例１３、１４）を比較のために触媒として使用する。比較例１５は触媒の添加なしでのポリエステルの製造を記載する。
【００３４】
ポリアルコール成分としてのジエチレングリコール（３.９８６ｋｇ；３７.６モル）並びにトリメチロールプロパン（０.２４２ｋｇ；１.８モル）およびポリカルボン酸成分としてのアジピン酸（５.１８６ｋｇ；３５.５モル）を反応容器中にあらかじめ装入し、反応混合物を窒素雰囲気下に２００℃で、常圧下に水が留出してこなくなるまで加熱する。引き続き、実施例１〜６からの本発明による金属触媒の添加を実施するが、その際それぞれの量を比較可能な金属濃度が反応生成物中に生じるように選択する。更なる反応経過において、反応容器中の圧力は段階的に約１５ミリバールに減少する、その際付加的な水を留去する。重縮合反応は約２００℃で酸価が１.０ｍｇＫＯＨ／ｇ以下の値に低下するまで続ける。真空相の時間は使用した触媒に関して特徴的なものであり、反応時間として記録される。
【００３５】
【表２】
第２表から、本発明によるチタン−触媒（例７〜１１）はチタンテトラブチレート（例１３）に比べてほぼ同じ活性を有することが明らかになる。真空相のための比較可能な容器滞在時間は同様に本発明による例６に関してジルコニウムテトラブチレート（例１４）に比較して見い出された。触媒を使用しない場合には（例１５）、長い反応時間と充分でない変換率を甘受しなければならない。
【００３７】
ポリエステルの光学的特性
例１６〜２１
例１〜４および６からの触媒を前記のようにしてポリエステルの製造のために使用し、反応生成物の光学的品質を試験する。チタンテトラ−ｎ−ブチレート（比較例２１）は通常使用されるエステル化触媒もしくはエステル交換触媒として比較に使用される。
【００３８】
【表３】
第３表から本発明によるチタン触媒（例１６〜１９）はチタンテトラブチレート（例２１）に比べて改善された光学特性を有するポリエステル、すなわち約半分の色指数が得られるということが明らかになる。ポリエステルの黄色の着色が減少するということが、本発明によるジルコニウム触媒を使用する場合には見いだされる（例６）。
【００４０】
本発明による触媒の加水分解安定性
例２２〜２４
加水分解の受け安さを試験するために、例３および例４の触媒をブタンジオール中に溶かし（４０質量％）、かつ開放容器中で空中の湿気／酸素に曝した。チタンテトラブチレートを有する溶液を比較のために用いる（本発明によらない例２４）。決められた時間の後に触媒の加水分解した度合いを測定する。混濁しもしくは粘性の溶液の出現は生じた部分的な加水分解として；白色固体の出現は（ほぼ）完全な加水分解として解釈される。
【００４１】
【表４】
第４表から本発明による触媒（例２２、２３）はチタンテトラブチレート（比較例２４）に比べて、明らかに改善された空中の湿気／酸素に対する安定性を有する。
【００４３】
純粋な物質の、すなわち溶剤を添加しない場合の加水分解安定性に関する実験を繰り返すと、すでに５時間後にチタンテトラブチレートの完全な加水分解が観察される。本発明による例３は表面上にゲル状の皮膚を形成し、このことは部分的な加水分解を示す。これに対して、本発明による例４は５日後にも変化せずに安定のままであり、変わらない活性を有する触媒として（酸価：８時間の真空相の後０.８ｍｇＫＯＨ／ｇ）前記の重縮合反応に使用することができる。[0001]
The present invention relates to a new class of titanium / zirconium catalysts, their preparation and the use of the catalysts according to the invention in esterification, transesterification and polycondensation reactions for the production of esters or polyesters.
[0002]
Polyesters are industrially important polymers, which have been used for many years, for example for the production of fibers or as polyol components in polyurethane systems (in this regard G. Oertel Polyurethane Handbook, Hanser Publishers (1994), p 65 See -72). Polyesters are made by direct esterification of low molecular weight polycarboxylic acids (eg adipic acid) with low molecular weight polyalcohols (eg diethylene glycol) or by transesterification starting from polycarboxylic acid alkyl esters and polyalcohols. In the reaction described, a catalyst is generally used which serves to shorten the residence time in the reactor and to build up a high molecular weight (for this purpose RE Wilfong in Journal of Polymer Science, Vol. 54 (1961), p 385-410 and A. Fradet, E. Marechal in Advances in Polymer Science 43, Springer Verlag (1982), p 51-142). In many commercial processes, for example, manganese, zinc, antimony or tin salts are used as catalysts for esterification, transesterification or polycondensation. Some of the aforementioned metal compounds tend to form insoluble complexes, which has the problem of causing problems in the processing of esters or polyesters. In addition, the physiological problems and / or potential environmental disruption effects of the compounds are increasingly disadvantageous for use as catalysts.
[0003]
Organotitanium compounds, especially titanium orthoesters (eg titanium tetraisopropylate and titanium tetra-n-butyrate) are equally effective and often used esterification reaction catalysts, transesterification catalysts and polycondensation catalysts (eg US -A2822348). However, the general use of these titanium catalysts is limited by various drawbacks. Thus, the organotitanium compound may be insoluble in the reaction mixture (eg, poly (titanium alkylate)), which leads to a heterogeneous distribution of the catalyst and affects its activity. In addition, certain titanium catalysts are susceptible to hydrolysis, which affects the storage stability of the catalyst system. Furthermore, in the course of the reaction, a polymeric titanium compound is produced which leads to a turbid reaction product and can be purified only by expensive filtration. In addition, titanium compounds usually react with trace amounts of impurities (eg aldehydes) which are likewise produced during esterification, transesterification or polycondensation, thus producing an undesirable yellow coloration in the reaction product. It has been shown that the use of multi-component catalyst systems can prevent such unwanted coloration. Thus, for example, US Pat. No. 6,080,834 describes a catalyst system consisting of a titanium compound in a solvent, a complexing reagent (such as a hydroxycarboxylic acid), a phosphorus compound, and optionally other additives. The use of catalysts consisting of titanium orthoesters, alcohols (eg ethylene glycol), 2-hydroxycarboxylic acids and bases (eg sodium hydroxide) is described in US Pat. No. 5,866,710. The production of such a complex catalyst system is obviously expensive and therefore its application in esterification, transesterification and polycondensation reactions is very disadvantageous for economic reasons. Furthermore, the processing of esters or polyesters into various applications (eg polyurethane systems) has the risk of being negatively affected by the additives in the described catalyst system.
[0004]
For the reasons mentioned above, as simple a composition as possible, high activity in esterification reactions, transesterification reactions and / or polycondensation reactions, sufficient solubility in the starting components and in the final product, and good hydrolysis stability and There is a need for new catalysts that are superior in physiological safety. It is likewise desirable to lead to reaction products having improved optical properties (for example, reducing unwanted coloration of the polyester).
[0005]
Surprisingly, the use of suitable starting materials makes it possible to produce a new type of catalyst which is particularly simpler and thus superior in terms of economic composition as well as better hydrolytic stability compared to said catalyst. I found something. Furthermore, the catalysts according to the invention provide reaction products with improved optical properties, i.e. the reduction of unwanted coloration in the ester or polyester. Other advantages of the catalyst according to the invention (eg high activity, good solubility in the starting material or in the final product, physiological safety) are likewise provided.
[0006]
Accordingly, the subject of the present invention is a) an orthoester or condensed orthoester of titanium and / or zirconium and b) one or more polyalcohols having at least two hydroxyl groups and a number average molecular weight of at least 180 g / mol. Is a catalyst which can be prepared by reacting polyalcohol b) with a molar ratio of orthoester or condensed orthoester a) of titanium and / or zirconium at least 2: 1.
[0007]
For the preparation of the catalysts according to the invention, the orthoesters or condensed orthoesters a) of titanium or zirconium are used. In an advantageous embodiment, the orthoester has the general formula M (OR) 4 , where M represents titanium and / or zirconium, R represents the same or different linear, branched or cyclic alkyl groups. To express. The alkyl group R advantageously has 1 to 6 carbon atoms. Particularly preferred orthoesters are titanium tetraisopropoxylate and titanium tetra-n-butoxylate. The condensed orthoesters for the preparation of the catalysts according to the invention are typically obtained by careful, partial hydrolysis of titanium / zirconium orthoesters, in particular, but not exclusively, the general formula R 1 O [M (OR 1 ) 2 O] n R 1, where M represents titanium or zirconium, R 1 represents the same or different linear, branched or cyclic alkyl groups, n is <20, preferably n <10 is represented. The radical R 1 preferably has 1 to 6 carbon atoms. Particularly preferred condensed orthoesters are poly (titanium isopropoxylate) and poly (titanium butoxylate).
[0008]
For the preparation of the catalyst according to the invention, component a) is reacted with one or more polyalcohols b). According to the invention, all polyalcohols having at least 2 hydroxyl groups and having a number average molecular weight of at least 180 g / mol can be used, in particular having 2 to 6 hydroxyl groups and having a number average molecular weight Polyalcohols having from 180 g / mol to 4500 g / mol can be used.
[0009]
In a particularly advantageous embodiment, the polyalcohol b) is a polyether polyol. The polyether polyols used according to the invention, for example, polyaddition of alkylene oxides to polyfunctional starting compounds in the presence of cesium hydroxide, rubidium hydroxide, strontium hydroxide or barium hydroxide or selective basic catalysts Can be manufactured. The polyether polyols used in accordance with the present invention use a highly active double metal cyanide catalyst (Doppelmetallcyanidkatalysator), starting compounds having an average of 2 to 8, preferably 2 to 6 active hydrogen atoms and one or more alkylenes This process is described for example in EP-A 761708.
[0010]
Preferred starting compounds are molecules having at least two hydroxyl groups per molecule, such as 1,2-ethanediol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol. , Tripropylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 1,2-hexanediol, 1,3-hexanediol, 1,4-hexanediol, 1,5 -Hexanediol, 1,6-hexanediol, glycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbit and saccharose. Other advantageous starting compounds are ammonia or compounds having at least one primary or secondary amino group, such as aliphatic amines, for example oligomers of 1,2-diaminoethane, 1,2-diaminoethane (for example diethylenetriamine, triethylene Tetramine or pentaethylenehexamine), 1,3-diaminopropane, 1,3-diaminobutane, 1,4-diaminobutane, 1,2-diaminohexane, 1,3-diaminohexane, 1,4-diaminohexane, 1, 1,5-diaminohexane, 1,6-diaminohexane, aromatic amines such as 1,2-diaminobenzene, 1,3-diaminobenzene, 1,4-diaminobenzene, 2,3-diaminotoluene, 2,4- Diaminotoluene, 3,4-diaminotoluene, 2,5-diaminotoluene, 2,6-diaminotoluene 2,2'-diaminodiphenylmethane, 2,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenylmethane or other aromatic amines obtained by acid-catalyzed condensation from aniline and formaldehyde, or primary, secondary or A compound having a hydroxyl group in addition to a tertiary amino group, such as ethanolamine, diethanolamine or triethanolamine. The starting compounds can be used alone or in admixture.
[0011]
For reactions using highly active double metal cyanide catalysts (Doppelmetallcyanidkatalysator), for example, from conventional hydroxy-functional low molecular weight starting compounds and alkylene oxides such as oxirane, methyloxirane and / or ethyloxirane by means of conventional alkali catalysts The starting compounds that can be produced are particularly advantageous.
[0012]
The alkylene oxides used for the preparation of the polyether polyols used according to the invention are oxiranes, methyloxiranes and ethyloxiranes. These can be used alone or in combination. When used in admixture, the alkylene oxide is incorporated randomly or blockwise, or both methods are incorporated sequentially.
[0013]
The polyalcohol component b) includes one or more polyester polyols from aromatic and / or aliphatic polycarboxylic acids and polyols having at least two hydroxyl groups, either alone or as a polyether polyol It can also be used as a mixture. Examples of dicarboxylic acids are phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, fumaric acid, maleic acid, azelaic acid, glutaric acid, adipic acid, suberic acid, sebacic acid, malonic acid and succinic acid. It is also possible to use pure dicarboxylic acids as well as any mixtures of these. Instead of the free dicarboxylic acids, it is also possible to use the corresponding dicarboxylic acid derivatives, for example dicarboxylic acid mono- or diesters of alcohols having 1 to 4 carbon atoms. As the carboxylic acid component, dicarboxylic anhydrides such as phthalic anhydride or maleic anhydride can also be used. The following polyol components are preferably used for the esterification: ethylene glycol, diethylene glycol, tetraethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1, 5-pentanediol, 1,6-hexanediol, 1,10-decanediol, glycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol or a mixture thereof. It is also possible to use polyester polyols from lactones, for example ε-caprolactone, or hydroxycarboxylic acids, for example ω-hydroxycarboxylic acids. The polyalcohol may contain a polyetherester polyol obtained by the reaction of phthalic anhydride with diethylene glycol and the subsequent reaction with oxirane.
[0014]
The polyalcohol component b) contains one or more monofunctional alcohols up to an amount of 80% by weight in addition to polyols (for example polyethers, polyesters) having an average OH functionality of at least 2.0. It's okay.
[0015]
For the preparation of the catalyst according to the invention, the orthoester or condensed orthoester a) of titanium or zirconium is reacted with one or more polyalcohols b), in which case the polyalcohol and the titanium and / or zirconium compound are reacted. The molar ratio is at least 2: 1 as already described. Preference is given to using 3 to 5 moles of polyalcohol per mole of titanium and / or zirconium compound. The catalyst according to the invention is prepared by mixing components a) and b) under removal of the resulting by-product (for example 1-butanol when the orthoester is for example titanium tetra-n-butyrate). In an advantageous embodiment, the polyalcohol is pre-charged, the orthoester or condensed orthoester is added, and the resulting by-product is subsequently heated to a temperature of 80-250 ° C., preferably 100-200 ° C. and optionally reduced pressure Distill down. The catalyst according to the invention is soluble in all customary solvents, for example alcohols or glycols. Preferred solvents are ethylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, butanediol and / or hexanediol.
[0016]
Accordingly, another subject of the present invention is the preparation of the catalyst according to the invention, which comprises a) an orthoester or condensed orthoester of titanium and / or zirconium and b) at least two hydroxyl groups and at least 180 g / mol. Characterized in that one or more polyalcohols having a number average molecular weight are reacted in a molar ratio of polyalcohol b) to titanium and / or zirconium orthoester or condensed orthoester a) of at least 2: 1. To do.
[0017]
The subject of the present invention furthermore relates to the use of the catalyst according to the invention for the production of esters or polyesters by corresponding esterification, transesterification or polycondensation reactions.
[0018]
The preparation of esters or polyesters using the catalyst according to the invention can be carried out by direct esterification of low molecular carboxylic acids or carboxylic acid anhydrides with low molecular polyalcohols, as already described, or with polycarboxylic acid alkyl esters. It is carried out by transesterification with polyalcohol. Direct esterification and transesterification can likewise be carried out from hydroxycarboxylic acids. An advantageous process for the production of esters or polyesters using the catalyst according to the invention is carried out by a polycondensation reaction.
[0019]
Examples of low molecular weight polycarboxylic acids for the production of esters and / or polyesters are phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, fumaric acid, maleic acid, azelaic acid, glutaric acid, adipic acid, suberic acid, sebacic acid, malon Acids and succinic acid. Pure dicarboxylic acids as well as any mixtures thereof can be used. Dicarboxylic anhydrides such as phthalic anhydride or maleic anhydride can also be used. Instead of free polycarboxylic acids or carboxylic anhydrides, it is also possible to use corresponding dicarboxylic acid derivatives, for example dicarboxylic acid mono- or diesters with alcohols having 1 to 4 carbon atoms. Since the alcohol produced during the reaction is removed by distillation, usually lower homologues such as methyl esters are used. The following are preferably used as polyalcohol components for the production of esters or polyesters: ethylene glycol, diethylene glycol, tetraethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,4. -Butanediol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, 1,10-decanediol, glycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol or mixtures thereof.
[0020]
With the use of the catalyst according to the invention, the production according to the invention of esters or polyesters by esterification, transesterification or polycondensation can be carried out over a wide range of reaction conditions. It is advantageous to work in the temperature range from 100 to 350 ° C., particularly preferably from 150 to 230 ° C., in which the pressure varies between 0.001 bar and normal pressure as the reaction proceeds. The amount of the catalyst according to the invention used in the production depends on the titanium or zirconium content (Ti / Zr) in the catalyst. Usually, the metal concentration ranges from 0.1 ppm to 500 ppm, preferably from 1 ppm to 12 ppm, based on the total mass of the reaction product.
[0021]
Preference is given to the production of polyester polyols using a mixture of adipic acid and diethylene glycol and trimethylolpropane. In a typical discontinuous process, the starting material is heated in a reaction vessel at a temperature up to 200 ° C. and the resulting water is distilled off under normal pressure. After the addition of the catalyst according to the invention (1-12 ppm metal), the pressure is reduced stepwise to 15 mbar. The reaction water is distilled off at 200 ° C. until the acid value ≦ 1.0 mgKOH / g. Of course, the polyester can also be post-treated (200 ° C./0.05 mbar) in a short path evaporator (Kurzwegverdampfer) to remove the cyclic ester portion.
[0022]
The polyesters according to the invention can be used for the production of polyurethane foams, in particular flexible foams. Furthermore, the polyesters according to the invention can of course also be used in the production of other PUR-systems (for example injectable elastomers, fibers).
[0023]
The process according to the invention describes a new and effective process for the preparation of esters or polyesters with particularly good color quality.
[0024]
The content of the present invention will be described in detail by using selected examples.
[0025]
The following abbreviations are used in the examples:
[0026]
[Table 1]
Production example 1 of catalyst according to the present invention
Polyether PET1 (0.48 kg; 2.20 mol) is filled into a reaction vessel with a distillation bridge and dehydrated for 1 hour (120 ° C./15 mbar). Subsequently, the vessel is cooled to 100 ° C., purged with nitrogen, and 0.23 molar amount (relative to the polyether) of titanium tetra-n-butyrate (0.17 kg; 0.50 mol) is added. In the course of distilling 1-butanol from the reaction mixture, the temperature slowly increases from 140 ° C to 200 ° C. When no more distillate distills, the temperature is lowered to 160 ° C., the pressure is reduced stepwise to 0.5 mbar using a water pump or oil pump, and the remaining 1-butanol is removed from the reaction mixture. To complete the reaction, the temperature is increased again to 200 ° C. A pale yellow reaction product having a Ti content of 5.23% (relative to the total mass of the catalyst) and a viscosity of 700 mPa · s (25 ° C.) is obtained.
[0028]
Example 2
In the same manner as described in Example 1, polyether PET1 is reacted with 0.33 moles of titanium tetrabutyrate (relative to the polyether). A pale yellow reaction product having a Ti content of 6.85% (based on the total mass of the catalyst) and a viscosity of 18100 mPa · s (25 ° C.) is obtained.
[0029]
Example 3
In the same manner as described in Example 1, polyether PET2 is reacted with 0.23 molar amount of titanium tetrabutyrate (relative to the polyether). A pale yellow reaction product with a Ti content of 3.85% (based on the total mass of the catalyst) and a viscosity of 6100 mPa · s (25 ° C.) is obtained.
[0030]
Example 4
In the same manner as described in Example 1, it is reacted with polyether PET3 and 0.25 molar amount of titanium tetrabutyrate (relative to the polyether). A pale yellow reaction product with a Ti content of 3.78% (based on the total mass of the catalyst) and a viscosity of 30200 mPa · s (25 ° C.) is obtained.
[0031]
Example 5
In the same manner as described in Example 1, it is reacted with poly (ethylene adipate) having an average molecular weight of 440 g / mol and 0.25 molar amount of titanium tetrabutyrate (relative to the polyester). A yellow reaction product with a Ti content of 2.66% (based on the total mass of the catalyst) and a viscosity of 920 mPa · s (25 ° C.) is obtained.
[0032]
Example 6
In the same manner as described in Example 1, polyether PET2 is reacted with zirconium tetrabutyrate 0.23 molar amount (relative to the polyether). A highly viscous light yellow reaction product having a Zr content of 7.09% (based on the total mass of the catalyst) is obtained.
[0033]
Polyester production examples 7-15 using the catalyst according to the invention
The reaction products from Examples 1-6 are used for the production of polyester. Titanium tetra-n-butyrate or zirconium tetra-n-butyrate (Comparative Examples 13, 14 not according to the invention) is used as a catalyst for comparison. Comparative Example 15 describes the production of a polyester without the addition of a catalyst.
[0034]
Diethylene glycol (3.986 kg; 37.6 mol) as a polyalcohol component and trimethylolpropane (0.242 kg; 1.8 mol) and adipic acid (5.186 kg; 35.5 mol) as a polycarboxylic acid component The reaction mixture is preliminarily charged and the reaction mixture is heated at 200 ° C. under a nitrogen atmosphere until no water is distilled off under normal pressure. Subsequently, the addition of the metal catalyst according to the invention from Examples 1 to 6 is carried out, with each amount being selected such that a comparable metal concentration occurs in the reaction product. In the course of the further reaction, the pressure in the reaction vessel decreases stepwise to about 15 mbar, with additional water being distilled off. The polycondensation reaction is continued at about 200 ° C. until the acid value drops to a value of 1.0 mg KOH / g or less. The time of the vacuum phase is characteristic for the catalyst used and is recorded as the reaction time.
[0035]
[Table 2]
From Table 2 it becomes clear that the titanium catalysts according to the invention (Examples 7 to 11) have substantially the same activity as titanium tetrabutyrate (Example 13). A comparable vessel residence time for the vacuum phase was also found for Example 6 according to the present invention compared to zirconium tetrabutyrate (Example 14). If no catalyst is used (Example 15), a long reaction time and insufficient conversion must be accepted.
[0037]
Examples of optical properties of polyesters 16-21
The catalysts from Examples 1-4 and 6 are used as described above for the production of polyesters, and the optical quality of the reaction products is tested. Titanium tetra-n-butyrate (Comparative Example 21) is used for comparison as a commonly used esterification catalyst or transesterification catalyst.
[0038]
[Table 3]
From Table 3 it is clear that the titanium catalysts according to the invention (Examples 16 to 19) give polyesters with improved optical properties compared to titanium tetrabutyrate (Example 21), ie about half the color index. Become. A reduction in the yellow coloration of the polyester is found when using the zirconium catalyst according to the invention (Example 6).
[0040]
Examples of hydrolytic stability of catalysts according to the invention 22-24
To test the ease of hydrolysis, the catalysts of Examples 3 and 4 were dissolved in butanediol (40% by weight) and exposed to air moisture / oxygen in an open container. A solution with titanium tetrabutyrate is used for comparison (Example 24 not according to the invention). The degree of hydrolysis of the catalyst is measured after a determined time. The appearance of a turbid or viscous solution is as partial hydrolysis that has occurred; the appearance of a white solid is interpreted as (almost) complete hydrolysis.
[0041]
[Table 4]
From Table 4 the catalysts according to the invention (Examples 22, 23) have a clearly improved air humidity / oxygen stability compared to titanium tetrabutyrate (Comparative Example 24).
[0043]
When the experiment on the hydrolysis stability of the pure substance, ie without addition of solvent, is repeated, complete hydrolysis of the titanium tetrabutyrate is observed after 5 hours. Example 3 according to the invention forms a gel-like skin on the surface, indicating partial hydrolysis. In contrast, Example 4 according to the present invention remains stable and remains unchanged after 5 days (as acid value: 0.8 mg KOH / g after 8 hours of vacuum phase) as an active catalyst. Can be used in the polycondensation reaction.
Claims (9)
ｂ）少なくとも２個のヒドロキシル基および１８０ｇ／モル〜４５００ｇ／モルの数平均分子量を有する１種または複数種のポリエーテルポリオール
とを、ポリエーテルポリオールｂ）とチタンおよび／またはジルコニウムのオルトエステルまたは縮合オルトエステルａ）とのモル比３：１〜５：１で反応させることにより製造された、エステル化反応又はエステル交換反応用チタン／ジルコニウム触媒。a) an orthoester or condensed orthoester of titanium and / or zirconium and b) one or more polyether polyols having at least two hydroxyl groups and a number average molecular weight of from 180 g / mol to 4500 g / mol. the molar ratio of the polyether polyol b) titanium and / or an orthoester or condensed orthoester a) zirconium 3: 1 to 5: produced by reacting 1, Ji esterification reaction or ester exchange reaction tank / Zirconium catalyst.
ｂ）少なくとも２個のヒドロキシル基および１８０ｇ／モル〜４５００ｇ／モルの数平均分子量を有する１種または複数種のポリエーテルポリオール
とを、ポリエーテルポリオールｂ）とチタンおよび／またはジルコニウムのオルトエステルまたは縮合オルトエステルａ）とのモル比３：１〜５：１で反応させることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のエステル化反応又はエステル交換反応用チタン／ジルコニウム触媒の製法。a) an orthoester or condensed orthoester of titanium and / or zirconium and b) one or more polyether polyols having at least two hydroxyl groups and a number average molecular weight of from 180 g / mol to 4500 g / mol. 7. The reaction as claimed in claim 1, wherein the reaction is carried out in a molar ratio of 3: 1 to 5: 1 of the ether polyol b) and the orthoester or condensed orthoester a) of titanium and / or zirconium. preparation of an esterification reaction or transesterification reaction for the titanium / zirconium catalysts according.
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